飞行时间质谱（TOF-MS）与反射器（Reflectron）：离子如何按质量“赛跑”

飞行时间质谱（Time-of-Flight Mass Spectrometry，TOF-MS）是一种通过测量离子飞越已知距离所用时间来确定其质荷比（m/z）的质谱方法。

基本原理

离子在已知强度的电场中被加速，获得相同的动能。质量小或电荷高的离子速度更快，质量大或电荷低的离子速度更慢。离子随后进入无场飞行管，速度不再改变，到达远端检测器的时间取决于速度，从而反映 m/z。

由加速电势 qU 与动能 ½mv² 相等，可得飞行时间 t = k·√(m/q)，其中 k 是与仪器设置有关的比例常数。即飞行时间随质荷比的平方根变化——不同 m/z 的离子因速度不同而先后到达，实现分离。举例：在 MALDI-TOF 中，1000 Da 的单电荷肽在 15 kV、1.5 m 管长下飞行约 28 微秒；4000 Da 的离子质量大 4 倍，飞行时间约长 2 倍（约 56 微秒）。

反射器（Reflectron）如何提升分辨率

反射器用恒定静电场把离子束反射回检测器。初始动能稍高的同 m/z 离子穿透更深、路径更长；动能稍低的同 m/z 离子穿透更浅、路径更短。通过把检测器放在“同 m/z 但不同能量离子同时到达”的平面上（时间聚焦平面），不同初始能量的相同 m/z 离子就能同时抵达检测器，从而校正动能分布、改善质量分辨率。反射还让离子在同样仪器长度内走完两倍的飞行路径，提高分辨能力。

典型性能

据 Wikipedia “Time-of-flight mass spectrometry”：正交加速 TOF（oaTOF）配合碰撞冷却，使现代 TOF 质量分辨率从几百提升到数万，且不损失灵敏度；商业正交加速 TOF 的重复频率典型为 5-20 kHz；QToF 质量精度可达小数点后第 4 位。

与新策源产品的关联

新策源（Neo Source INSTRUMENT）的 ProC-1、ProC-2 在线飞行时间质谱仪采用双场反射式 TOF 设计，配合 MSI DPI / MSI LDPI 成像离子源使用。

参考来源

1. Wikipedia: Time-of-flight mass spectrometry. https://en.wikipedia.org/wiki/Time-of-flight_mass_spectrometry

2. Wiley WC, McLaren IH. Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. Review of Scientific Instruments. 1955;26(12):1150. DOI:10.1063/1.1715212

3. Mamyrin BA, et al. The mass-reflectron, a new nonmagnetic time-of-flight mass spectrometer with high resolution. Sov. Phys. JETP. 1973;37:45.